Czy dzięki miniaturowym diamentowym bateriom działającym setki lat energia jądrowa wróci do łask?
Energia jądrowa nie ma najlepszej prasy. Choć elektrownie atomowe dostarczają wielkiej mocy, to ich budowa jest niezwykle kosztowna, a użytkowanie i wiążące się z tym zagrożenia budzą liczne kontrowersje, zwłaszcza po katastrofach w Czarnobylu, a ostatnio w Fukushimie. Ogromne reaktory to jednak niejedyny sposób uzyskania energii z radioaktywności. Alternatywną formą są tak zwane baterie jądrowe.
Klasyczna bateria jądrowa działa trochę jak panele słoneczne, z tym że cienka warstwa półprzewodnikowa nie zamienia w prąd energii słonecznej (fotonów), tylko promieniowanie beta (elektrony i pozytrony). Problem polega na tym, że energia promieniowania bardzo szybko spada wraz z odległością. Wystarczy, że źródło promieniowania jest oddalone od półprzewodnika o więcej niż kilka mikrometrów. W dodatku cząstki beta są emitowane w różnych kierunkach i tylko niektóre z nich trafiają we właściwe miejsce i mogą być zamienione na energię. Dlatego bateria jądrowa przypomina trochę kanapkę, w której supercienkie warstwy półprzewodnika i materiału radioaktywnego są umieszczone naprzemiennie.
Teoretyczna wydajność energetyczna takiego rozwiązania to 37 procent (taka część emitowanej energii jest zamieniana na prąd), ale w tej chwili udało się z niej wycisnąć maksymalnie 7 procent.
I tu pojawia się innowacja zespołu naukowców z Uniwersytetu Bristolskiego pod kierownictwem Toma Scotta. Do stworzenia swojej wersji baterii jądrowej użyli węgla C-14. To izotop znany głównie jako metoda datowania materiałów. Na podstawie oceny stopnia rozpadu jego cząstek można określić wiek jakiegoś przedmiotu (co jest często wykorzystywane np. w archeologii).
Dla naszych naukowców kluczowa okazała się inna cecha pierwiastka. Jest on równocześnie materiałem promieniotwórczym, jak i półprzewodnikiem.
Około 50 kilogramów odpadów nuklearnych wystarczy, by wyprodukować milion baterii jądrowych
Naukowcy z Bristolu zrezygnowali z klasycznej struktury „kanapki” na rzecz… diamentu. Opracowali metodę tworzenia sztucznych diamentów z węgla C-14 poprzez reakcję metanu z plazmą wodorową w specjalnym reaktorze. Diamenty te są wysycane węglem C-14. Struktura diamentu sprawia, że odstępy między materiałem promieniotwórczym a elementem zmieniającym promieniowanie w prąd są znacznie mniejsze, przez co wydajność takiej baterii jest dużo większa niż w przypadku dotychczasowych rozwiązań.
Energia jądrowa nie zyskała wielkiej popularności ze względu na potencjalne zagrożenia związane z wykorzystaniem materiałów promieniotwórczych. W przypadku baterii jądrowych jest ono znikome – nawet kartka papieru jest w stanie zatrzymać promienie beta.
Kolejnym plusem tego rozwiązania jest fakt, że do produkcji baterii można wykorzystać odpady radioaktywne. Węgiel C-14 znajduje się w grafitowych blokach, które zawierają pręty kontrolne reaktora jądrowego. Zużyte bloki można zatem przetwarzać na baterie jądrowe. Wired przytacza szacunki brytyjskiej Agencji Energii Atomowej, według których ok. 50 kilogramów odpadów nuklearnych wystarczy, by wyprodukować milion baterii jądrowych.
Nie ma co oczekiwać, że baterie jądrowe zasilą kiedyś nasze smartfony czy laptopy – ilość prądu generowana przez tego typu rozwiązania jest znikoma. By tego typu bateria wytworzyła ilość prądu potrzebną do zasilenia prądożernego laptopa, musiałaby być od niego wielokrotnie większa.
Mocną stroną ogniw jądrowych jest długowieczność. Okres półrozpadu węgla C-14 wynosi ok. 5740 lat. Oznacza to, że po takim okresie wydajność baterii węglowej spadnie o połowę. Możemy sobie zatem wyobrazić, że przez dobre kilkaset lat będzie się utrzymywać na przyzwoitym poziomie.
Baterie jądrowe mogą się sprawdzić wszędzie tam, gdzie zapotrzebowanie na prąd jest niewielkie i/lub wymiana baterii jest skomplikowana lub niemożliwa – w rozrusznikach serca, urządzeniach IoT, sensorach znajdujących się w trudno dostępnych miejscach (np. w pobliżu wulkanów czy wewnątrz elementów konstrukcyjnych budynków) czy do zasilania niektórych podzespołów satelitów.
W sierpniu Tom Scott i jego współpracownik Neil Fox założyli firmę o nazwie Arkenlight. Chcą skomercjalizować swój projekt. Ich bateria jest na etapie prototypu. Scott liczy, że pierwsze baterie jądrowe trafią na rynek w 2024 roku.